- 頭條直流電壓下，燃燒顆粒在間隙中有著怎樣的運動和分布規律？2021-07-03 作者：普子恒 王子鳴 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語山火容易引發輸電線路跳閘事故，現有研究表明，植被燃燒產生大量顆粒物，在火焰中荷電并在導線下方形成顆粒鏈，其畸變電場和觸發放電是導致間隙擊穿的關鍵因素。為分析直流正極性與負極性條件下空間電場畸變的差異，需要對燃燒顆粒在間隙中的運動和分布規律進行研究。為此，三峽大學電氣與新能源學院、三峽大學湖北省輸電線路工程技術研究中心的研究人員普子恒、王子鳴、史星濤、孫睿康、黎鵬，在2020年《電工技術學報》增刊2上撰文進行分析。研究結果表明，隨著顆粒粒徑的增加，其被電極捕捉吸附的臨界荷質比越小，粒徑相對較大的顆粒容易被電極捕捉，而小顆粒易隨熱氣流擴散和飛升。
輸電線路走廊日益緊張，遠距離輸電線路不可避免地經過植被茂盛的高森林火險地區，山火可能導致輸電線路相地和相間絕緣強度下降而發生跳閘事故。據統計，近年來我國電網因山火跳閘事故達數百起，嚴重影響了電網的安全穩定運行。
目前，國內外主要通過試驗測量不同植被火焰離子濃度、溫度及擊穿電壓等，但由于植被類型、模擬試驗尺度、試驗方法等差異，所得擊穿特性差異較大；擊穿機理方面主要建立了考慮溫度、火焰電導率、灰燼顆粒等單一因素為主的放電模型，未見綜合考慮多環境因素相互影響的火焰條件下間隙放電模型，缺乏火焰下間隙電場特性的數值模擬分析。
直流條件下的火焰間隙擊穿特征研究相對較少，部分研究通過木垛火焰間隙的直流耐壓試驗得到不同間隙擊穿電壓，分析火焰間隙擊穿機理，以及通過測量不同植被燃燒條件下的泄漏電流特性分析對間隙放電特性的影響。火焰中的顆粒物和灰燼受火焰中離子影響而荷電，并在氣流、電場力等作用下進入輸電線路下方間隙并形成顆粒鏈，使空間電場畸變并發生局部放電，進一步造成整個間隙擊穿。
現有研究表明，荷電顆粒鏈畸變電場并產生局部觸發放電是導致整個間隙擊穿的關鍵因素，需要分析火焰間隙情況下顆粒荷電和運動特性對間隙放電的影響。在顆粒荷電方面，學者們研究了輸電線路附近顆粒、靜電除塵中不同粉塵顆粒、風沙中沙粒、碳氫化合物燃燒產生的碳煙顆粒等的荷電機理及數學模型，可為建立植被火焰中顆粒荷電提供參考。
小尺度的電場與火焰相互作用的試驗研究表明，均勻電場的穩定性會受到火焰的影響，擊穿放電與荷電碳煙濃度和電性有關，但并未深入討論荷電顆粒的運動特性對放電的影響。考慮正極性與負極性條件下空間電場的畸變情況有明顯差異，表明不同極性條件下燃燒顆粒的運動荷分布特性有很大不同，直接利用試驗進行火焰間隙空間顆粒測量和分析較為困難，考慮建立合理的仿真模型進行研究。
為此，三峽大學的科研人員根據拍攝的直流電壓下的火焰間隙顆粒運動情況，分析溫度、流體、電場和顆粒運動等物理場之間的相互聯系，提出多物理場耦合計算方法。首先結合相關試驗測量數據，仿真計算溫度場和流體場，然后分析顆粒荷電特性，綜合考慮顆粒所受流體曳力、電場力和重力等，計算不同粒徑、不同荷質比情況下顆粒的運動過程中的受力變化，分析顆粒的運動和分布規律。
圖1 正負極性電壓下火焰形態與顆粒觸發放電
科研人員最后得出主要結論如下：
1）結合試驗測試結果設置燃燒參數，可以模擬振蕩過程，并使溫度分布與試驗測量值有類似趨勢，但仍與實際燃燒有區別，下一步考慮利用化學反應模擬木垛燃燒反應過程。
2）燃燒顆粒在上升過程中流體曳力、荷電場力都在不斷變化，根據顆粒荷電極性不同，在上升不同階段會出現流體曳力的反向；火焰內側的荷電顆粒受到的曳力和電場力均大于外側荷電顆粒。
3）由于火焰體中荷正電和負電的粒子含量不同，不同極性電極條件下，顆粒上升過程中的分布也有較大差異，對于極性與電極相反的顆粒，可計算臨界荷質比，分析是否會被電極吸附。
4）顆粒粒徑越大，其被電極捕捉吸附的臨界荷質比越小；在相同荷質比的情況下，粒徑較大的顆粒越容易被電極捕捉，而小顆粒易隨熱氣流擴散和飛升。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊2上，論文標題為“直流電壓下燃燒顆粒在間隙中的運動和分布規律”，作者為普子恒、王子鳴 等。
